呂余清，張松柏

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

自動(dòng)增益控制（AGC）是根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度變化，自動(dòng)地調(diào)整接收機(jī)前端增益，使接收到的信號(hào)強(qiáng)度保持不變的過程［1］。傳統(tǒng)接收機(jī)多采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，利用充放電電路控制負(fù)反饋的反饋增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)增益的控制，但是存在控制精度差、收斂速度慢、靈活性小等缺點(diǎn)?，F(xiàn)代接收機(jī)多采用數(shù)字下變頻技術(shù)，中頻信號(hào)被數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）采樣，變成數(shù)字信號(hào)，這為數(shù)字AGC的應(yīng)用提供了前提條件，又因?yàn)閿?shù)字AGC不存在上述模擬AGC的不足，所以數(shù)字AGC已逐漸成為接收機(jī)AGC控制的主流方法。本文論述了一種基于滑動(dòng)算法的數(shù)字AGC的實(shí)現(xiàn)，具有算法簡練、控制精度高、收斂速度快、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 工作過程

圖1所示為數(shù)字AGC的過程框圖。高頻信號(hào)si經(jīng)接收機(jī)前置放大、數(shù)控衰減、中頻檢波與放大后，變?yōu)橹蓄l信號(hào)so，so經(jīng)中頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）變換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，AGC數(shù)據(jù)采樣模塊對(duì)下變頻后的基帶信號(hào)取模值，模值信號(hào)經(jīng)AGC濾波算法得到控制數(shù)控衰減器的衰減控制碼，直接作用于數(shù)控衰減器，控制接收機(jī)接收增益［2］。在實(shí)際環(huán)境中，si信號(hào)不可能總是保持恒定的幅值，如果數(shù)控衰減器為一恒定的衰減量，則si信號(hào)變化后，so信號(hào)亦會(huì)朝著si信號(hào)變化的方向而變化。當(dāng)AGC過程起效，數(shù)控衰減器受控后，情況就不一樣了。當(dāng)si信號(hào)變大時(shí)，衰減控制碼變大，數(shù)控衰減器衰減量變大，接收機(jī)增益減小，so信號(hào)保持不變；當(dāng)si信號(hào)變小時(shí)，衰減控制碼變小，數(shù)控衰減器衰減量變小，接收機(jī)增益增大，so信號(hào)亦保持不變；因此，不管si信號(hào)變大還是變小，由于數(shù)控衰減器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)作用，so信號(hào)不會(huì)隨輸入變化而急劇變化，而是保持在期望值附近，從而實(shí)現(xiàn)了AGC控制目的。

圖1 數(shù)字AGC過程框圖

2 工作原理

從圖1抽象出AGC的數(shù)學(xué)模型如圖2所示，Si為輸入，So為輸出，E為收斂期望值，α為滑動(dòng)濾波系數(shù)，e為期望值與輸出的差值（量綱為分貝），A為受控的衰減器衰減量。

圖2 數(shù)字AGC數(shù)學(xué)模型

由圖2可知，這是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)［3］，受控量為衰減器的衰減A，控制量為e，當(dāng)e＞0時(shí)，說明輸出值比期望值小，衰減器衰減量A變小，從而使輸出朝增大的方向變化；當(dāng)e＜0時(shí)，說明輸出值比期望值大，衰減器A衰減量增大，從而使輸出朝減小的方向變化；當(dāng)e＝0時(shí)，說明輸出值與期望值相等，受控量A衰減量維持不變。

具體實(shí)現(xiàn)原理可由以下公式描述：

由公式（1）和（2）可知，當(dāng)輸出與期望值一致時(shí)，e（i）＝0，因而控制的A（i＋1）衰減量等于上次A（i）的衰減量，維持不變；當(dāng)輸出比期望值小，e（i）＞0，因而控制的A（i＋1）衰減量等于上次A（i）的衰減量減去一個(gè)正值，當(dāng)前衰減量比上次衰減量減?。划?dāng)輸出比期望值大，e（i）＜0，因而控制的A（i＋1）衰減量等于上次A（i）的衰減量減去一個(gè)負(fù)值，當(dāng)前衰減量比上次衰減量增大。

由公式（1）和（2）可得：

AGC輸出為：

由以上公式可以看出，由于采用了滑動(dòng)濾波，每次計(jì)算當(dāng)前衰減量A時(shí)，系統(tǒng)只需要知道當(dāng)前的期望值與輸出的差值即可，不需要存儲(chǔ)過多的歷史數(shù)據(jù)就可以得到控制量，因而計(jì)算簡便，易于工程實(shí)現(xiàn)。由公式（3）還可以知道，該算法的響應(yīng)速度與α值大小相關(guān)，當(dāng)α較大時(shí)，響應(yīng)速度快，但是過沖大，收斂后幅值平穩(wěn)度不高；當(dāng)α較小時(shí)，過沖小，收斂后幅值平穩(wěn)度高，但是響應(yīng)速度慢。正常工作時(shí)，α取0～1之間的值，具體大小可根據(jù)工程實(shí)際試驗(yàn)得出。

3 工作流程

圖3是基于滑動(dòng)濾波算法的數(shù)字AGC的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）程序流程圖，其中AGC樣本為接收機(jī)正交數(shù)字下變頻后I、Q兩路信號(hào)的模值，在本應(yīng)用中采用了將一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù)取最大值的方法獲得供比較的輸出So，這樣可以保守地保證在AGC作用范圍內(nèi)，輸出數(shù)據(jù)均不會(huì)超出幅度范圍。

根據(jù)上一節(jié)對(duì)數(shù)字AGC工作原理的分析，知道α的值的大小對(duì)系統(tǒng)的性能影響很大，所以在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)的過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況確定α值的大小。本設(shè)計(jì)應(yīng)用中為了兼顧響應(yīng)速度、過沖、穩(wěn)態(tài)的平穩(wěn)度，采用了變?chǔ)恋姆椒?，即在不同階段使用不同的α值，準(zhǔn)則是根據(jù)期望值與輸出的差值e的絕對(duì)值大小來決定α的大小。當(dāng)e的絕對(duì)值較大時(shí)，說明輸出值與期望值相差較大，此時(shí)的主要矛盾是響應(yīng)速度，所以在這個(gè)階段采用較大的α值，使其快速逼近期望值；當(dāng)e的絕對(duì)值變小后，說明輸出值與期望值相差已經(jīng)變小，此時(shí)的主要矛盾是收斂后的平穩(wěn)度，所以在這個(gè)階段采用較小的α值，使其在期望值處起伏較小。

圖3 AGC工作流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 功能仿真

仿真參數(shù)：輸入信號(hào)為幅度－100～＋100，以0為中心，起伏變化的正弦信號(hào)（中頻信號(hào)）；起伏模型符合Swerling2型［4］；回波幅度服從瑞利分布；濾波系數(shù)α為0.01；期望值為60。

經(jīng)過Matlab仿真后的輸入與輸出波形對(duì)比如圖4所示，輸入信號(hào)幅值起伏變化時(shí)，對(duì)輸出影響較小，輸出信號(hào)的幅值沒有跟隨輸入信號(hào)幅值起伏而起伏，而是一直穩(wěn)定在期望值60。

圖4 AGC輸入信號(hào)與輸出信號(hào)

4.2 響應(yīng)速度仿真

仿真參數(shù)：輸入信號(hào)為幅值為50的階躍信號(hào)源，α分別為0.1、0.5、0.8和1.5，期望值為10。

經(jīng)過Matlab仿真后的響應(yīng)曲線如圖5所示，從圖中可以看出，隨著α的增大，響應(yīng)曲線越來越陡，即對(duì)相同輸入，輸出值收斂速度越來越快，但是當(dāng)α＞1后，輸出曲線出現(xiàn)過沖，且收斂過程中振蕩時(shí)間變長，最終的收斂時(shí)間反而沒有α較小時(shí)快。

圖5 響應(yīng)速度與濾波系數(shù)的關(guān)系

5 結(jié)束語

通過以上分析，基于滑動(dòng)濾波的數(shù)字AGC不依賴過多的樣本存儲(chǔ)，算法簡單；根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用，調(diào)節(jié)濾波系數(shù)α，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)收斂速度快、穩(wěn)定度等指標(biāo)的調(diào)節(jié)；在雷達(dá)應(yīng)用中，對(duì)于幅度起伏快速的目標(biāo)回波，收斂快速，對(duì)回波幅度閃爍起到很好的抑制作用。

［1］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997.

［2］Mahafza Bassem R，Elsherbeni Atef Z.雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)MATLAB仿真［M］.朱國富，黃曉濤，黎向陽，李悅麗譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］韓堯，秦開宇，彭啟琮.基于數(shù)字補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)自動(dòng)增益控制技術(shù)研究［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（1）：79－81.

［4］喻斌，陳軍波，李青俠.數(shù)字 AGC的分析和設(shè)計(jì)［J］.桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（5）：35－37.